Java Unsafe類實現(xiàn)原理及測試代碼
Unsafe類介紹
第一次看到這個類時被它的名字嚇到了，居然還有一個類自名Unsafe？讀完本文，大家也能發(fā)現(xiàn)Unsafe類確實有點不那么安全，它能實現(xiàn)一些不那么常見的功能。
Unsafe類使Java擁有了像C語言的指針一樣操作內(nèi)存空間的能力，同時也帶來了指針的問題。過度的使用Unsafe類會使得出錯的幾率變大，因此Java官方并不建議使用的，官方文檔也幾乎沒有。Oracle正在計劃從Java 9中去掉Unsafe類，如果真是如此影響就太大了。
Unsafe類提供了以下這些功能：
一、內(nèi)存管理。包括分配內(nèi)存、釋放內(nèi)存等。
該部分包括了allocateMemory（分配內(nèi)存）、reallocateMemory（重新分配內(nèi)存）、copyMemory（拷貝內(nèi)存）、freeMemory（釋放內(nèi)存 ）、getAddress（獲取內(nèi)存地址）、addressSize、pageSize、getInt（獲取內(nèi)存地址指向的整數(shù)）、getIntVolatile（獲取內(nèi)存地址指向的整數(shù)，并支持volatile語義）、putInt（將整數(shù)寫入指定內(nèi)存地址）、putIntVolatile（將整數(shù)寫入指定內(nèi)存地址，并支持volatile語義）、putOrderedInt（將整數(shù)寫入指定內(nèi)存地址、有序或者有延遲的方法）等方法。getXXX和putXXX包含了各種基本類型的操作。
利用copyMemory方法，我們可以實現(xiàn)一個通用的對象拷貝方法，無需再對每一個對象都實現(xiàn)clone方法，當(dāng)然這通用的方法只能做到對象淺拷貝。
二、非常規(guī)的對象實例化。
allocateInstance()方法提供了另一種創(chuàng)建實例的途徑。通常我們可以用new或者反射來實例化對象，使用allocateInstance()方法可以直接生成對象實例，且無需調(diào)用構(gòu)造方法和其它初始化方法。
這在對象反序列化的時候會很有用，能夠重建和設(shè)置final字段，而不需要調(diào)用構(gòu)造方法。
三、操作類、對象、變量。
這部分包括了staticFieldOffset（靜態(tài)域偏移）、defineClass（定義類）、defineAnonymousClass（定義匿名類）、ensureClassInitialized（確保類初始化）、objectFieldOffset（對象域偏移）等方法。
通過這些方法我們可以獲取對象的指針，通過對指針進(jìn)行偏移，我們不僅可以直接修改指針指向的數(shù)據(jù)（即使它們是私有的），甚至可以找到JVM已經(jīng)認(rèn)定為垃圾、可以進(jìn)行回收的對象。
四、數(shù)組操作。
這部分包括了arrayBaseOffset（獲取數(shù)組第一個元素的偏移地址）、arrayIndexScale（獲取數(shù)組中元素的增量地址）等方法。arrayBaseOffset與arrayIndexScale配合起來使用，就可以定位數(shù)組中每個元素在內(nèi)存中的位置。
由于Java的數(shù)組最大值為Integer.MAX_VALUE，使用Unsafe類的內(nèi)存分配方法可以實現(xiàn)超大數(shù)組。實際上這樣的數(shù)據(jù)就可以認(rèn)為是C數(shù)組，因此需要注意在合適的時間釋放內(nèi)存。
五、多線程同步。包括鎖機(jī)制、CAS操作等。
這部分包括了monitorEnter、tryMonitorEnter、monitorExit、compareAndSwapInt、compareAndSwap等方法。
其中monitorEnter、tryMonitorEnter、monitorExit已經(jīng)被標(biāo)記為deprecated，不建議使用。
Unsafe類的CAS操作可能是用的最多的，它為Java的鎖機(jī)制提供了一種新的解決辦法，比如AtomicInteger等類都是通過該方法來實現(xiàn)的。compareAndSwap方法是原子的，可以避免繁重的鎖機(jī)制，提高代碼效率。這是一種樂觀鎖，通常認(rèn)為在大部分情況下不出現(xiàn)競態(tài)條件，如果操作失敗，會不斷重試直到成功。
六、掛起與恢復(fù)。
這部分包括了park、unpark等方法。
將一個線程進(jìn)行掛起是通過park方法實現(xiàn)的，調(diào)用 park后，線程將一直阻塞直到超時或者中斷等條件出現(xiàn)。unpark可以終止一個掛起的線程，使其恢復(fù)正常。整個并發(fā)框架中對線程的掛起操作被封裝在 LockSupport類中，LockSupport類中有各種版本pack方法，但最終都調(diào)用了Unsafe.park()方法。
七、內(nèi)存屏障。
這部分包括了loadFence、storeFence、fullFence等方法。這是在Java 8新引入的，用于定義內(nèi)存屏障，避免代碼重排序。
loadFence() 表示該方法之前的所有l(wèi)oad操作在內(nèi)存屏障之前完成。同理storeFence()表示該方法之前的所有store操作在內(nèi)存屏障之前完成。fullFence()表示該方法之前的所有l(wèi)oad、store操作在內(nèi)存屏障之前完成。
測試代碼
import com.User;
import org.junit.Before;
import org.junit.Test;
import sun.misc.Unsafe;
import java.lang.reflect.Field;
import java.util.ArrayList;
import java.util.UUID;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
class User {
public static String USER_CLASS_NAME = "User.class";
private int age;
private String name;
public int getAge() {
return age;
}
public String getName() {
return name;
}
public User(int age, String name) {
this.age = age;
this.name = name;
}
public void setAge(int age) {
this.age = age;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
}
public class LockTests {
Unsafe unSafe;
User u = new User(17, "zhangsan");
@Before
public void before() throws Exception {
Field theUnsafeField = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
theUnsafeField.setAccessible(true);
unSafe = (Unsafe) theUnsafeField.get(Unsafe.class);
}
@Test
public void objectFieldOffset() throws Exception {
// unSafe偏底層的一個Java工具類
java.util.List users = new ArrayList();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
Field ageField = User.class.getDeclaredField("age");
User u = new User(18, "daxin");
users.add(u);
//使用內(nèi)存獲取User age字段在內(nèi)存中的 offset
// 是相對地址，不是一個絕對地址
long ageOffset = unSafe.objectFieldOffset(ageField);
// 每次都相同
System.out.println("ageOffset = " + ageOffset);
}
}
@Test
public void compareAndSwapInt() throws Exception {
// unSafe偏底層的一個Java工具類
Field ageField = User.class.getDeclaredField("age");
User u = new User(18, "daxin");
//使用內(nèi)存獲取User age字段在內(nèi)存中的 offset
long ageOffset = unSafe.objectFieldOffset(ageField);
// 修改之前的值
System.out.println(u.getAge());
// 進(jìn)行CAS更新, 由于設(shè)置18 因此CAS 會成功
unSafe.compareAndSwapInt(u, ageOffset, 18, 20);
System.out.println(u.getAge());
// 由于age設(shè)置20 進(jìn)行CAS失敗
unSafe.compareAndSwapInt(u, ageOffset, 18, 22);
System.out.println(u.getAge());
}
@Test
public void ensureClassInitialized() {
System.out.println("==== start ====");
unSafe.ensureClassInitialized(ClassIsLoad.class);
// 再次 確認(rèn)不會報錯
unSafe.ensureClassInitialized(ClassIsLoad.class);
}
/**
* AQS 底層的Node鏈表就是基于這個工具實現(xiàn)的 。
*
* @throws Exception
*/
@Test
public void getValueByFieldOffset() throws Exception {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
User u = new User(18, UUID.randomUUID().toString().substring(i, 20));
int age = unSafe.getInt(u, 12L);
System.out.println("age = " + age);
// 獲取名字 field offset
Field nameField = User.class.getDeclaredField("name");
long nameOffset = unSafe.objectFieldOffset(nameField);
System.out.println("nameOffset = " + nameOffset);
String name = unSafe.getObject(u, nameOffset) + "";
System.out.println("name = " + name);
}
}
@Test
public void pageSize() {
System.out.println("unSafe.pageSize() = " + unSafe.pageSize());
}
/**
* AtomicInteger 底層是基于getAndAddInt實現(xiàn)
*/
@Test
public void getAndAddInt() throws InterruptedException {
User u = new User(17, "zhangsan");
CountDownLatch downLatch = new CountDownLatch(10);
System.out.println("u.getAge() = " + u.getAge());
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
downLatch.countDown();
int val = unSafe.getAndAddInt(u, 12L, 1);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " val = " + val);
}
}).start();
}
Thread.sleep(5000);
System.out.println("u.getAge() = " + u.getAge());
}
@Test
public void getAndSetInt() throws InterruptedException {
User u = new User(17, "zhangsan");
CountDownLatch downLatch = new CountDownLatch(10);
System.out.println("u.getAge() = " + u.getAge());
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
downLatch.countDown();
int val = unSafe.getAndSetInt(u, 12L, 10);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " val = " + val);
}
}).start();
}
Thread.sleep(5000);
System.out.println("u.getAge() = " + u.getAge());
}
@Test
public void getIntVolatile() {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
u.setAge(i);
/**
* @param obj the object containing the field to modify.
* @param offset the offset of the integer field within <code>obj</code>.
* @return
*/
int age = unSafe.getIntVolatile(u, 12L);
System.out.println("age = " + age);
}
}
// 系統(tǒng)負(fù)載采樣的接口
@Test
public void getLoadAverage() {
double[] nums = new double[8];
int val = unSafe.getLoadAverage(nums, 8);
System.out.println(val);
}
/**
* //內(nèi)存屏障，禁止load操作重排序。屏障前的load操作不能被重排序到屏障后，屏障后的load操作不能被重排序到屏障前
* public native void loadFence();
* <p>
* <p>
* 參見：https://tech.meituan.com/2019/02/14/talk-about-java-magic-class-unsafe.html
*/
@Test
public void loadFence() {
//java.util.concurrent.locks.StampedLock.validate
unSafe.loadFence();
}
/**
* //內(nèi)存屏障，禁止store操作重排序。屏障前的store操作不能被重排序到屏障后，屏障后的store操作不能被重排序到屏障前
* public native void storeFence();
* 參見：https://tech.meituan.com/2019/02/14/talk-about-java-magic-class-unsafe.html
*/
@Test
public void storeFence() {
}
/**
* //內(nèi)存屏障，禁止load、store操作重排序
* public native void fullFence();
* 參見：https://tech.meituan.com/2019/02/14/talk-about-java-magic-class-unsafe.html
*/
@Test
public void fullFence() {
}
@Test
public void shouldBeInitialized() {
boolean shouldBeInitialized = unSafe.shouldBeInitialized(String.class);
System.out.println(shouldBeInitialized);
shouldBeInitialized = unSafe.shouldBeInitialized(User.class);
System.out.println(shouldBeInitialized);
}
/**
* synchronized 的一種實現(xiàn)獲取鎖
*
* @throws InterruptedException
*/
@Test
public void monitorEnter() throws InterruptedException {
unSafe.monitorEnter(u);
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
synchronized (u) {
System.out.println("==u lock got ==");
}
}
}).start();
Thread.sleep(2000);
unSafe.monitorExit(u);
}
@Test
public void compareAndSwap() {
// unSafe.compareAndSwapInt(對象, 對象中的字段偏移, 期望值, 設(shè)置值)
// unSafe.compareAndSwapLong(對象, 對象中的字段偏移, 期望值, 設(shè)置值)
// unSafe.compareAndSwapObject(對象, 對象中的字段偏移, 期望值, 設(shè)置值)
}
@Test
public void t() {
// 方法簽名
// public void copyMemory(Object srcBase, long srcOffset,Object destBase, long destOffset, long bytes)
// unSafe.copyMemory();
}
}
class ClassIsLoad {
static {
System.out.println("ClassIsLoad class Is Load !");
}
}
以上就是本文的全部內(nèi)容，希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。
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